从晶背找先进封装锡球异常点

先进封装最大挑战来自于异质整合晶片内含多种材质，堆叠複杂容易导致非常多可靠度的问题，包括晶片翘曲问题（深入阅读：掐指算出 Warpage 翘曲变形量 速解 IC 上板后空焊早夭异常）、异质材料整合问题、锡球接合问题。

本期宜特小学堂，我们会将焦点放在如何找到锡球（solder ball）异常点。

在进行分析前，样品需要经过製备，才能正式进入分析，一般传统手法是先研磨 PCB 载板再搭配酸液取下晶片（Die）来进行异常点分析观察，但若异常点是出现在锡球（solder ball），还能用传统手法进行分析吗?

答案是不行的! 若直接从 PCB 载板下手，锡球在样品製备阶段，就会经由研磨以及酸液取 Die 等手法被破坏掉了，若异常点就是锡球（solder ball）本身，等于是直接破坏了异常（defect）现场（图一）。

▲ 图一：以传统手法取下 Die 后锡球裸露出，极可能破坏异常原貌。

如何解？答案是从晶背（Backside）来进行样品製备。以下宜特分享经典先进封装 – WLCSP（Wafer Level CSP）晶圆级晶片封装技术案例（图二），当 WLCSP 的锡球发生异常点，宜特如何运用三步骤，从晶背进行样品製备，协助您快速找到产品异常点。

▲ 图二：WLCSP 结构示意图。

▲ 图三：宜特运用三步骤，从晶背找到锡球异常点。

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若以传统方式，样品製备大多是第一步骤，不过若要从晶背施工，首先我们要做的是"定位"。

如何精準定位目标?一般电子显微镜例如 OM 等，在晶背施工前，是无法透视看到样品内部状况。因此使用可以透视样品内部的超高解析度 3D X-Ray 显微镜，找到锡球异常位置（图四）。

▲ 图四：使用 3D X-ray，观察到锡球（solder ball）已有裂痕（Crack）。

接着，我们就要进行样品製备了，但不是从 PCB 载板，而是从晶背（Backside），将硅基板（Silicon Substrate）利用乾式蚀刻方式，完全或局部移除（图五）。

所谓"乾式蚀刻"，与传统湿式蚀刻的差别在于，前者可以让样品在不碰触任何酸液药品的状态下，进行样品製备。

而后者"湿式蚀刻"，会因为酸的使用而发生渗酸的可能，进而破坏异常点的原貌。所以如果异常点发生在锡球，就必须採用乾式蚀刻方式来进行样品製备。

▲ 图五：宜特以晶背乾蚀刻手法，去除 Silicon Substrate 后，可以清楚看到 WLCSP 表面锡球分布位置。

最后，以双束电浆离子束（Plasma FIB）或双束聚焦离子束（Dual beam FIB）进行 Cross Section（图六），就可以清楚看到锡球（solder ball）的异常情形（图七）。 

▲ 图六：Plasma（Dual beam）FIB 切片施作。

▲ 图七：显像，清楚看到锡球的异常情形（defect）。

除了先进封装锡球的观察，利用晶背移除硅基板（Silicon Substrate）的手法，也可运用在观察电路是否断路（图八）、或是先进製程的 IC 要从晶背进行电路修改（深入阅读: 先进製程的 IC，该如何从晶背进行 FIB）等。

▲ 图八：藉由晶背方式，观察电路有断路现象。

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（图片来源：宜特科技 首图来源：Shutterstock）